初來(lái)乍到奉獻(xiàn)一篇文章，是介紹熱電制冷芯片的。作者應(yīng)該是為臺(tái)灣人，在文章中他稱之為熱電致冷芯片，但是現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)用的比較多的稱呼是熱電制冷芯片。
熱電致冷芯片(Thermoelectric Cooling Module)及溫差發(fā)電芯片(Thermoelectric Power generating Module)的理論基礎(chǔ)早在19世紀(jì)初即被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。公元1821年(約180年前)德國(guó)科學(xué)家Thomas Johann Seebeck (1770-1831)發(fā)布塞貝克效應(yīng)(Seeback Effect)此效應(yīng)為日后研發(fā)溫差發(fā)電芯片的基礎(chǔ)。隨后不久(1834)，法國(guó)表匠Jean Charles Athanase Peltier也發(fā)布了珀?duì)柼?yīng)(Peltier Effect)此效應(yīng)為日后研發(fā)致冷芯片的基礎(chǔ)。但是當(dāng)時(shí)并無(wú)今日發(fā)展神速的半導(dǎo)體工業(yè)，科學(xué)家無(wú)法利用以上兩個(gè)效應(yīng)來(lái)研發(fā)創(chuàng)造新的產(chǎn)品。直到1960年(約40年前)，靠著半導(dǎo)體工業(yè)的配合，致冷芯片與發(fā)電芯片才問(wèn)世。
致冷芯片的名稱熱電致冷芯片的名稱很多。如熱電致冷模塊(Thermoelectric Cooling Module)，熱電致冷芯片(Thermoelectric Cooling Chip)，制冷芯片，熱電致冷器(Thermoelectric Cooler)，珀?duì)柼吕淦?Peltier Cooler)，珀?duì)柼麊误w(Peltier Cell)， 也有人稱它為熱泵(Heat Pump)。
在中國(guó)大陸，最普遍的名稱為半導(dǎo)體致冷器。筆者淺見(jiàn)，若改稱固態(tài)式致冷器(solid state cooler)會(huì)更加貼切。
致冷芯片的優(yōu)點(diǎn)熱電致冷芯片與傳統(tǒng)冷凍壓縮機(jī)互相比較，有優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)。它的體積小，無(wú)噪音，不使用冷煤，因此無(wú)環(huán)保公害。壽命長(zhǎng)?？傻沽⒒騻?cè)立使用，無(wú)方向的限制。特別適用于航空器或太空艙。造價(jià)較高，但日后幾乎不需維護(hù)。
致冷芯片的缺點(diǎn)它最大的缺點(diǎn)是能源轉(zhuǎn)換效率低。一般約在40%至50%之間。而傳統(tǒng)式冷凍壓縮機(jī)的效率，一般約在95%之上。因此致冷芯片無(wú)法用在大型空調(diào)或大型冰箱的場(chǎng)合。但愿科學(xué)家的研究能有所突破。提高效率。屆時(shí)冷凍工業(yè)將有一番新的面目出現(xiàn)。
致冷芯片的用途致冷芯片有如以上的優(yōu)缺點(diǎn)。它的用途，依隨它的特性，存在日常生活的各種角落中。在日常生活用品，航天工業(yè)，醫(yī)學(xué)生物化驗(yàn)，軍事民生工業(yè)等，處處可見(jiàn)。最常見(jiàn)的用途如計(jì)算機(jī)CPU的冷卻(Microprocessor Cooler)，除濕箱，雷射發(fā)光頭的冷卻(Laser Diode Cooler)，車用行動(dòng)冷藏箱 (Portable Picnic Cooler)， 冰水機(jī)(Water Cooler)，冷熱敷療器(Therapy Water Pad)，小型冰箱(Mini Refrigerator)，血液分析儀(Blood Analyzer)等等。
也可以用來(lái)發(fā)電珀?duì)柼?yīng)(Peltier Effect)與塞貝克效應(yīng)(Seeback Effect)是從不同的角度來(lái)解釋同一種物理現(xiàn)象。珀?duì)柼?yīng)解釋電流可以產(chǎn)生溫差。塞貝克效應(yīng)解釋溫差可以產(chǎn)生電流。所以有致冷芯片，當(dāng)然也有熱電芯片。
熱電芯片的英文名稱也多樣化。常用的簡(jiǎn)稱有T.E,G.(Thermoelectric Generator)或是 T.G.M.(Thermoelectric Generating Module)。其它常見(jiàn)的名稱有 "TE Power Generating Module" , "TE module for Electric Generation " , 及 "Power Module for Converting Heat Source To Electricity"。 |
1.致冷芯片被用來(lái)致冷的作用，它可以用來(lái)當(dāng)加熱用嗎?
當(dāng)然可以。你只要把電源的極性反轉(zhuǎn)就可以達(dá)到加熱的目的。實(shí)際上致冷芯片是一個(gè)非常優(yōu)良的加熱器。它的能源轉(zhuǎn)換效率甚至超過(guò)100%。因?yàn)闊崦嫠欧诺臒崃?，是電源所提供的能量外，再加上從冷面所抽取的熱能。因此它的效率絕對(duì)比電阻式加熱器要好的很。但是它的造價(jià)高，如果只單純用來(lái)當(dāng)加熱器，那就不劃算了。
2.致冷芯片可以泡在水里嗎?
它可以放在水中清洗。但是使用之前一定要把它吹干。
3.一定要使用散熱器嗎?
致冷芯片的熱面一定要裝有散熱器。不拘散熱器的型式。如果熱面不裝散熱器，通電之后，熱面溫度上升很快。當(dāng)它的溫度超過(guò)焊錫的溶點(diǎn)時(shí)，致冷芯片就損壞了。制作致冷芯片所使用焊錫溶點(diǎn)很低。至于冷面溫度很低的話，是不會(huì)造成損害的。
4.省掉致冷芯片，僅使用散熱器與風(fēng)散，不也是可以達(dá)到冷卻的功能?
不用致冷芯片，不管你如何加大散熱器與風(fēng)扇，溫度只能降到與室溫一樣。如配合適當(dāng)?shù)闹吕湫酒瑴囟缺憧山档绞覝刂隆?
5.如果兩片致冷芯片疊在一起使用，是否會(huì)有更強(qiáng)的冷凍力?
理論上是如此。實(shí)際上卻是行不通。因?yàn)榈谝黄瑹崦嫠懦龅臒崃?，無(wú)法被第二片冷面完全吸收。熱量又倒流回到冷面，致冷效果反而降低。所以在多層級(jí)致冷芯片的結(jié)構(gòu)，是成金字塔排列。即第一片很小，第二片較大，第三片更大。
6.致冷芯片最冷可以到幾度?
許多因素都會(huì)影響冷度，例如室溫高低，冷面負(fù)載，電流大小，散熱器優(yōu)劣等等。理論上來(lái)說(shuō)，如果把熱面溫度設(shè)法維持在27℃，冷面與熱面的溫差，最高可達(dá)到最大溫差值(DTmax)。請(qǐng)參考型號(hào)/規(guī)范/價(jià)目表。一般市面上產(chǎn)品的最大溫差值為62℃。本公司提供的產(chǎn)品，最大溫差值為65℃。最大溫差值的預(yù)設(shè)條件是冷面負(fù)載為零的條件。在實(shí)際的應(yīng)用中，冷面負(fù)載是不可能為零。在一般的應(yīng)用中，冷熱面的溫差值約為最大溫差值的一半。
7.如果需要非常冷的溫度，可有其它好辦法?
可以采用多層級(jí)致冷芯片。也可使用傳統(tǒng)式冷凍壓縮機(jī)，先把致冷芯片熱面溫度降低，那么冷面溫度自然跟著降低。
8.致冷芯片最熱可到幾度?
這完全取決于芯片內(nèi)焊錫的溶點(diǎn)。一般制造致冷芯片所采用的是低溶點(diǎn)焊錫。如果致冷芯片的溫度超過(guò)焊錫溶點(diǎn)，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)損壞。本公司提供的致冷芯片分為三級(jí)，普通級(jí)(－150℃~＋125℃)，高溫級(jí)(－150℃~＋150℃)，特高溫級(jí)(－150℃~＋200℃)。
9.致冷芯片最大的尺寸有多大?
因?yàn)槔淇s熱漲的物理現(xiàn)象，如果尺寸太大，熱面膨脹，冷面收縮，晶粒容易破烈。目前最大的尺寸約在50mm平方，4mm厚。如果需要很大的致冷量，刻意去制造尺寸很大的芯片，那是不切實(shí)際，也不經(jīng)濟(jì)。如果在應(yīng)用中，多加幾組芯片，也可同樣達(dá)到增加致冷量的目的。
10.致冷芯片最小的尺寸有多小?
芯片尺寸太小，無(wú)法采用機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)。勢(shì)必在顯微鏡下用人工裝配，因此成本高，價(jià)格昂貴。本公司提供的產(chǎn)品，最小的尺寸為5mm平方，2.4mm厚。
11.如何分辯致冷芯片的冷面與熱面?
有的芯片，兩面看起來(lái)一模一樣。真教人難以分辯這是冷面還是熱面?，F(xiàn)在教你分辯冷面與熱面的方法。當(dāng)直流電源依紅黑引線的極性施加到致冷芯片，電源引線著附的這一面會(huì)發(fā)熱，稱為熱面。另外一面會(huì)致冷，稱為冷面。如此冷面熱面分辯的方法，是幫助你在組裝過(guò)程中，不會(huì)搞錯(cuò)方向。在設(shè)計(jì)上 最好是冷面當(dāng)致冷用，熱面當(dāng)散熱來(lái)使用。想想看，如果熱面 當(dāng)致冷用，著附在熱面的電線會(huì)造成冷氣的流失。如果電線是發(fā)燙的話，冷氣的流失更快。特別是微小型芯片，更是承受不了如此的損失。
12.規(guī)范表上所列最大電流值(Imax)，其意為何?
一般人都會(huì)認(rèn)為電流超過(guò)最大電流值，芯片就會(huì)燒壞。其實(shí)不然，它所代表的意義是出乎一般人意料之外。讀者請(qǐng)參考“天南地北”篇中的題項(xiàng)「致冷力"Ｑ"與電流"Ｉ"的關(guān)系」。
13.如何量測(cè)最大電流值(Imax)?
首先要有一個(gè)萬(wàn)能散熱器，它可隨時(shí)保持熱面溫度在 27°C。也要一個(gè)完美無(wú)缺的集冷器，它不讓冷面的冷氣有任何的流失。此時(shí)慢慢升高致冷芯片的電壓，電流也跟者增加，致冷芯片的溫差也隨著上升。當(dāng)溫差從上升轉(zhuǎn)為下降的那一點(diǎn)，此時(shí)的電流就是最大電流(Imax)。此時(shí)的電壓就是最大電壓 (Vmax)。此時(shí)的溫差就是最大溫差(ΔTmax)。
以上所述的量測(cè)條件，是理想理論條件。要進(jìn)行如此量測(cè)，非常困難。芯片制造廠所提供的數(shù)值，是根據(jù)一般常態(tài)所測(cè)的數(shù)字，再用計(jì)算機(jī)推算出來(lái)的數(shù)值。
14.規(guī)范表上所列最大電壓值(Vmax)，其意為何?如何量測(cè)?
請(qǐng)參考第12題及第13題。
15.規(guī)范表上所列最大溫差(Delta Tmax)，其意為何?如何量測(cè)?
請(qǐng)參考第12題及第13題。
16.規(guī)范表上所列最大致冷力(Qmax)，其意為何?如何量測(cè)?
首先要有一個(gè)萬(wàn)能散熱器，它可隨時(shí)保持熱面溫度在 27°C。也要一個(gè)萬(wàn)能的集冷器，它可以把冷面的冷氣迅速移走，以保持冷熱面溫差(ΔT)為零。慢慢升高致冷芯片的電流到最大電流(Imax)，此時(shí)致冷芯片就在最大致冷力(Qmax)的狀態(tài)。
以上所述的量測(cè)條件，是理想理論條件。要進(jìn)行如此量測(cè)，非常困難。芯片制造廠所提供的數(shù)值，是根據(jù)一般常態(tài)所測(cè)的數(shù)字，再用計(jì)算機(jī)推算出來(lái)的數(shù)值。 |
17.甚么叫能源轉(zhuǎn)換效率(COP:coefficient of performance)? 它是兩個(gè)數(shù)值的比。分子是芯片從冷面抽走的熱能(瓦特)。分母是電源供應(yīng)器輸入到芯片的電能(瓦特)。COP一般數(shù)值約從 0.5 至 1.0。COP 數(shù)值越高，好處越多。
18.COP數(shù)值高，有何好處？ 先從 COP=0.5 說(shuō)起。假設(shè)需要 100W 的致冷力，電源供應(yīng)器消耗的電力是 200W 。散熱器排放的熱量是 100W+200W=300W。
再看 COP=1.0如何。假設(shè)需要 100W 的致冷力，電源供應(yīng)器消耗的電力是 100W 。散熱器排放的熱量是 100W+100W=200W。
很顯然的，COP數(shù)值高時(shí)，散熱器可以變小，電源供應(yīng)器也可以變小，經(jīng)年累月下來(lái)，電費(fèi)還可以省下一半。
19.如何提高COP數(shù)值？ 請(qǐng)先看下面用計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)的圖表。
各位不難了解，降低 DT/DTmax 與 I/Imax 兩個(gè)數(shù)值，有助于提高COP數(shù)值。
如果 DT 與 I 是已經(jīng)設(shè)定的目標(biāo)，無(wú)法降低。那么可從致冷芯片的 DTmax 與 Imax 下手。盡量選用高值的 DTmax 與 Imax 致冷芯片。
在此向各位推薦，蘇俄 KRYOTHERM制造的芯片 FROST-74，它的 DTmax 是 74度C。是目前致冷芯片科技界中最傲人的數(shù)值。蘇俄 KRYOTHERM制造的芯片 DRIFT-0.8，它的 Imax 是 11.3 安培。在相同尺寸等級(jí)中 (40mmX40mm)，也是傲人的數(shù)值。
20.在電氣上，致冷芯片可以串聯(lián)，并聯(lián)或是串并聯(lián)合并使用? 可以。設(shè)計(jì)者要確認(rèn)每片芯片都有適當(dāng)?shù)碾妷号c電流分布。
21.串聯(lián)比較好?還是并聯(lián)比較好? 致冷芯片的致冷能力，不會(huì)因串聯(lián)或并聯(lián)而有所改變。
并聯(lián)使用時(shí)，如果其中一片芯片壞了，剩余的芯片可繼續(xù)運(yùn)作。
串聯(lián)使用時(shí)，如果其中一片芯片壞了，所有的芯片便停止運(yùn)作。
并聯(lián)使用時(shí)，電壓低，電流大?？刂菩酒娏鞯牧憬M件如繼電器晶體管或CMOS，耗損大，價(jià)格高。
串聯(lián)使用時(shí)，電壓高，電流小?？刂菩酒娏鞯牧憬M件如繼電器晶體管或CMOS，耗損小，價(jià)格便宜。
22.如果需要特殊尺寸的芯片，可否量身訂作? 是的。但是量身訂作需要很多新的制具。因此價(jià)格不會(huì)便宜。最上策是選用有現(xiàn)成產(chǎn)品的型號(hào)。量身訂作是在不得以情況下的選擇。
23.致冷芯片是否為純電阻組件?
可以說(shuō)是純電阻組件。它的雜散電容很小。它的電感值幾可忽略。如果使用一般直流電源來(lái)推動(dòng)致冷芯片，是不會(huì)有問(wèn)題。如果使用脈寬調(diào)制直流電源(Pulse Width Modulated DC Power Supply)來(lái)推動(dòng)致冷芯片，也不會(huì)有問(wèn)題。但是致冷芯片的電源引線要加上適當(dāng)隔離，以免干擾其它電路。
24.甚么叫脈寬調(diào)制直流電源(Pulse Width Modulated DC Power Supply)? 直流電源經(jīng)過(guò)脈波電路之后，變成一個(gè)固定頻率的方形脈波。比如說(shuō)2000周。此方形脈波的duty cycle可以調(diào)制。使用者可以操控duty cycle的長(zhǎng)短，達(dá)到操控致冷芯片的致冷力。這是目前最常采用的方式。
25.一定要采用隱壓非常良好，波紋(Ripple)系數(shù)很小的直流電源嗎? 這與成本息息相關(guān)。波紋系數(shù)的大小，會(huì)影響致冷能力。一般來(lái)說(shuō)波紋系數(shù)的要求為小于5%。波紋系數(shù)在10%之內(nèi)尚可接受。但如果僅用整流器而毫無(wú)濾波的直流電源是會(huì)有問(wèn)題的。因?yàn)橹绷麟娫吹姆逯惦妷汉芸赡艽笥谥吕湫酒淖畲箅妷篤max。電壓超過(guò)Vmax時(shí)，致冷能力是變壞的。
26.如用現(xiàn)成24V直流電源，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制后，可否當(dāng)成12V直流電源來(lái)使用?
如果是電阻式加熱器，這是可以的。24V直流電源，經(jīng)過(guò)50%的脈寬調(diào)制后，電源的效力相當(dāng)于12V。
如果是致冷芯片，那就有問(wèn)題了。假設(shè)芯片的Vmax為16V，那么24V的電源為ON時(shí)，芯片的致冷能力奇差。24V的電源為OFF時(shí)，芯片根本就不工作。整體而言，芯片幾乎毫無(wú)致冷能力。
27.使用等于或小于芯片Vmax的電源，再經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制。這樣可以調(diào)控芯片的致冷能力嗎?
是的。而且是目前最常見(jiàn)的調(diào)控致冷能力的方式。致冷能力隨著脈波的任務(wù)周期(Duty Cycle)而改變。采用此種調(diào)控方式，最大的優(yōu)點(diǎn)是能源損耗最低。壽命長(zhǎng)。
另外要提醒你的注意，直流電源的脈波頻率不可太低。頻率低，冷熱交替(THERMAL CYCLING)的壞處隨著而來(lái)。芯片長(zhǎng)期處在冷熱交替的狀態(tài)，壽命是比較短。本公司建議你把脈波的頻率設(shè)定在2000周之上。在2000周之上的頻率，可能會(huì)帶來(lái)電磁干擾(EMI:electro-magnetic interference)的問(wèn)題。因此電源供應(yīng)的電線電纜要隔離，并且遠(yuǎn)離敏感的電子控制電路。
28.甚么叫冷熱交替(Thermal Cycling)?欲知詳情，請(qǐng)看下一題。
29.是否可采用直流電源ON/OFF的方式來(lái)調(diào)制芯片致冷能力，以達(dá)控制溫度的目的?這是一種最簡(jiǎn)單與最經(jīng)濟(jì)的方式，但是它有很大的缺點(diǎn)。通常采用這種方式，都會(huì)與感溫器搭配。當(dāng)溫度低于感溫器下限，就開(kāi)始加熱。當(dāng)溫度超過(guò)感溫器上限，就開(kāi)始致冷。換句話說(shuō)，溫度是在上限與下限之間不停的跳動(dòng)。這就是所謂的冷熱交替(Thermal Cycling)。雖然上限與下限的溫差不大，但是長(zhǎng)期處在冷熱交替的狀態(tài)，對(duì)產(chǎn)品的壽命是非常不利。來(lái)自許多單位的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，都證明冷熱交替的傷害。在此列出典型的數(shù)字，讓讀者有更深切的了解。設(shè)計(jì)良好的控溫方式，壽命可達(dá)10年至20年。采用ON/OFF控溫方式，壽命只有1年至2年。
30.功率晶體管與致冷芯片串聯(lián)。操控晶體管的基極電流大小，是否也可調(diào)控芯片的致冷能力?
是的，但是它有一個(gè)缺點(diǎn)。晶體管的電能耗損很大，因此又需另一套散熱器材。價(jià)格體積重量也隨著增加。它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有冷熱交替(Thermal Cycling)的缺點(diǎn)，也沒(méi)有電磁干擾(EMI:Electro-Magnetic Interference)的煩惱。如果脈寬調(diào)制(PWM:Pulse Width Modulation)的調(diào)控方式不能滿足你的需要，那么本調(diào)控方式將會(huì)是最佳的另類選擇。
31.省一個(gè)變壓器的成本，直接把120V的交流電源，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的整流后，是否也可用來(lái)推動(dòng)致冷芯片?千萬(wàn)別如此。很多問(wèn)題會(huì)隨著而來(lái)。這是常被人們問(wèn)起的問(wèn)題。想想看，120V的交流電源，它的峰值電壓為 √2*120=169V。因此需要很多的芯片串聯(lián)起來(lái)。一般人很容易錯(cuò)估要串聯(lián)在一起的芯片數(shù)目。另外一個(gè)重要的考量是安全?；旧闲酒脑O(shè)計(jì)是不適應(yīng)高電壓的工作環(huán)境。在芯片的冷熱兩面都可能有金屬制的集冷器與散熱器。如果濕度稍微高，或有金屬導(dǎo)電碎粒掉入芯片內(nèi)部的話，在低電壓工作環(huán)境下，這不會(huì)是問(wèn)題。但是在高電壓工作環(huán)境下，危機(jī)就來(lái)了。你的產(chǎn)品可能變成會(huì)電死人的兇手。
32.可否使用市面上的一般開(kāi)關(guān)來(lái)操控致冷芯片的開(kāi)與關(guān)?
一般市面上的開(kāi)關(guān)所標(biāo)示的電流容量是交流電的數(shù)值。但是致冷芯片的工作電流是直流。直流電比較容易產(chǎn)生火花。開(kāi)關(guān)的金屬接點(diǎn)比較容易損壞。因此選用市面上的一般開(kāi)關(guān)，一定要確認(rèn)它的直流電流容量符合需求才可以。
33.如何設(shè)計(jì)電路，以切換致冷芯片的致冷/加熱功能?可使用雙刀雙擲(DPDT)開(kāi)關(guān)，線路接成傳統(tǒng)式極性反轉(zhuǎn)電路，如下圖。直接用手動(dòng)操控。
如果雙刀'雙擲開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)，代之以繼電器的接點(diǎn)，則可配合自動(dòng)操控的要求。也可使用半導(dǎo)體的組件來(lái)取代接點(diǎn)。建議采用MOSFET組件。因?yàn)镸OSFET的飽和電壓降很低。只有0.2V至0.6V之間。其它半導(dǎo)體組件的飽和電壓降都在1.0V之上。
34.可使用固態(tài)電驛(Solid State Relay)來(lái)取代致冷芯片的電路接點(diǎn)嗎?可以。但不建議采用它。MOSFET組件比固態(tài)電驛更優(yōu)秀。它便宜，體積小，飽和電壓降很低，因此電力損耗小。因此不需搭配很大的散熱器。
35.規(guī)范表上列出熱面溫度27℃，熱面溫度很重要嗎? 是的。致冷芯片對(duì)溫度是非常敏感。它在高溫下，致冷效果較好。它在低溫下，致冷效果較差。比如說(shuō)，熱面溫度27℃，最大溫差為65℃。熱面溫度如升為35℃，最大溫差可能升為75℃。一般廠商提供的規(guī)范或圖表，都會(huì)標(biāo)明熱面溫度。一般常見(jiàn)的熱面溫度有27℃，35℃及50℃。
36.規(guī)范表中列示測(cè)試空間狀態(tài)字樣。測(cè)試空間狀態(tài)會(huì)影響測(cè)試結(jié)果嗎?
測(cè)試空間的狀態(tài)是會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果。常見(jiàn)的狀態(tài)有真空，充氮，空氣三種。真空的結(jié)果最佳，充氮次之，空氣最后。列如在空氣中測(cè)試得最大溫差為63℃，在充氮的狀態(tài)，最大溫差可能升為65℃。在真空狀態(tài)下，最大溫差又可能升為68℃。
致冷芯片如在空氣狀態(tài)下工作，空氣中的水氣很容易在芯片內(nèi)部的冷面部位結(jié)露。芯片因而會(huì)腐蝕。因此在可靠度要求很高的設(shè)計(jì)，芯片是在真空狀態(tài)下工作。但是要保持真空狀態(tài)所付代價(jià)很高，因此另有一種充氮狀態(tài)的設(shè)計(jì)。
